Chương 1 DKQT điều khiển các quá trình công nghệ

Đặc biệt, thông qua Bài Tập Ứng Dụng của môn học giúp sinh viên hiểu được ứng dụng thực tiễn của điều khiển quá trình trong các ngành công nghệ thực phẩm, mỹ phẩm, sản xuất hoá chất và x

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BÀI TẬP ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

(MÃ MÔN HỌC 602044 )

Đề tài:ĐIỀU KHIỂN CHƯNG CẤT THÁP MÂM XUYÊN

LỖ CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Giảng viên hướng dẫn: GVC,TS.TRẦN VĂN NGŨ

Sinh viên thực hiện: HÀ GIA KIỆT

MSSV: 61602087 CHUYÊN NGÀNH: VẬT LIỆU HỮU CƠ NHÓM : 01- 11

HỌC KỲ I – NĂM HỌC 2018-2019

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn thầy Trần Văn Ngũ – giảng viên môn Kỹ Thuật Phân Riêng đã giúp chúng em học thật tốt, cung cấp cho chúng em nhiều kiến thức thực tế trong các quy trình sản xuất cũng như hoàn thành thật tốt Bài tập ứng dụng này.Thông qua bài tập ứng dụng, em đã hiểu rõ hơn về các quy trình sản xuất trong chuyên ngành, các ứng dụng phân riêng trong thực tiễn và tầm quan trọng của điều khiển quá trình trong sản xuất Đây chính là món quà quý báu mà thầy tặng cho chúng em để để chuẩn bị bước chân tiếp vào tương lai.Trong quá trình thực hiện bài tập ứng dụng, em đã cố gắng hoàn thành bài tập ứng dụng của mình nhưng có thể vẫn còn nhiều thiếu sót.Mong thầy chỉ bảo thêm cho em

Em xin trân trọng cảm ơn

LỜI MỞ ĐẦU

Môn điều khiển quá trình là một trong những môn học của bộ môn Hoá Kỹ Thuật giúp sinh viên hiểu rõ và nắm vững các quá trình điều khiển trong các quy trình sản xuất thực

tế Đặc biệt, thông qua Bài Tập Ứng Dụng của môn học giúp sinh viên hiểu được ứng dụng thực tiễn của điều khiển quá trình trong các ngành công nghệ thực phẩm, mỹ phẩm, sản xuất hoá chất và xử lý khí thải… Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng được các kiến thức đã được học vào giải quyết các vấn đề kỹ thuật trong thực tiễn một cách tổng quát Đặc biệt, Điều khiển quá trình là một một quá trình không thể thiếu trong trong quy trình sản xuất chuyên ngành vật liệu hữu cơ

Điều khiển quá trình được ứng dụng rất nhiều trong các quỳ trình sản xuất nhựa, cao su, chất dẻo, …cũng như trong việc xử lý chất thải công nghiệp

MỤC LỤC

I.Tổng quan 1

I.1 Giới thiệu 1

I.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình 1

II Ứng dụng điều khiển quá trình trong công nghệ hóa học 2

II.1 Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước 2

II.2.1 Giới thiệu 3

II.2.2 Lưu đồ điều khiển theo mẻ 4

II.3 Điều khiển tự động quá trình cô đặc 5

II.3.1 Quy trình công nghệ 5

II.4 Ứng dụng điều khiển tự động quá trình chưng cất 6

II.4.1 Quy trình công nghệ 6

II.5 Ứng dụng điều khiển tự động quá trình hấp thụ 7

II.6 Tổng quan về ứng dụng điều khiển qua trình trong các quá trình cơ học 7

II.6.1 Tự động hóa bình ngưng, nước sử dụng một lần (không tuần hoàn) 8

II.6.2 Tự động hóa quá trình khuấy trộn 9

II.7 Ứng dụng điều khiển quá trình trong kỹ thuật xử lý môi trường 10

II.7.1 Hệ thống hấp thụ xử lý khí thải 10

II.7.2 Hệ thống sấy thùng quay xử lý khí thải 11

III.Ứng dụng điều khiển quá trình trong chuyên ngành vật liệu hữu cơ 12

III.1 Điều khiển tự động cho thiết bị sấy hạt loại tầng sôi 12

III.2 Điều khiển tự động phản ứng trùng hợp polymer 13

I.Tổng quan

I.1 Giới thiệu

Trong nền công nghiệp hóa , hiện đại hóa đất nước, có thể nói một trong những tiêu chí

để đánh giá sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia là mức độ tự động hóa trong các quá trình sản xuất mà trước hết đó là năng suất sản xuất và chất lượng sản phảm làm ra Sự phát triển nhanh chóng của máy tính điện tử , công nghệ thông tin và những thành tựu của lý thuyết điều khiển tự động đã làm cơ sở cho cho sự phát triển của tự động hóa Ở nước ta mặc dù là một nước chậm phát triển , nhưng những năm gần đây cùng với những đòi hỏi từ sản

Hình I.1 Hệ thống quá trình công nghệ cơ bản xuất cũng như sự hội nhập vào nền kinh tế thế giới thì việc áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản xuất đã tạo ra các sản phẩm có chất lượng chất xám cao

Điều khiển quá trình được hiểu là ựng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu qảu sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường

Trong thực tế thì điều khiển quá trình thường được xem như điều khiển các thông số như: nhiệt độ (t0 ), áp suất (P), lưu lượng (F), mức (L), nồng độ (pH), định lượng và thậm chí

cả điều khiển phản ứng v.v

I.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trì nh

Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghệ Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích đó Việc đặt bài toán và đi xây dựng một giải pháp điều khiển quá trình bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân

tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặt tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau:

1 Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định,trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc,vận hành thuận tiện

2 Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thong số lien quan đến chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu

3 Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố

4 Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu

5 Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi chi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi thị trường

II Ứng dụng điều khiển quá trì nh trong công nghệ hóa học

Ta có thể ứng dụng điều khiển quá trình vào trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau Dưới đây ta sẽ nói qua một số ứng dụng vào các quy trình công nghệ hay gặp như chưng cất, hấp thụ,sấy,…

II.1 Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước

Hình 2 minh họa sách lược điều khiển cho thiết bị gia nhiệt hơi nước Nhiệt độ của dòng quá trình được thiết bị đo và chuyển khối TT ( teamperture tranmister) đưa tới bộ điều khiển nhiệt độ TC ( temperature controller) Dựa vào sai lệch giữa giá trị đặt (SP) và nhiệt

độ đo được, bộ điều khiển đưa ra tín hiệu điều chỉnh độ mở van cấp hơi nước, qua đó điều

Hình II.1 Điều khiển phản hồi thiết bị gia nhiệt hơi nước

chỉnh nhiệt độ ra Nguyên lý điều khiển phản hồi được giải thích như sau Giả sử vì một lý

do giá trị đặt, ví dụ do giá trị đặt hoặc lưu lượng dòng quá trình tăng lên, bộ điều khiển sẽ đưa tín hiệu điều khiển để tăng lưu lượng hơi nước

Tất nhiên , giá trị lưu lượng cần bù thêm sẽ được biểu diễn qua tín hiệu điều khiển đưa xuống van Nhiệt độ chênh lệch càng lớn, tín hiệu điều khiển cũng càng lớn, van điều khiển mở càng nhiều và lưu lượng hơi nước sẽ càng được tăng cường Chừng nào còn tồn tại sai lệch điều khiển thì lưu lượng hơi nước còn đươc thay đổi Nhờ vậ, sau một thời gian nhiệt độ đầu ra T được đưa tới gần với giá trị đặt tsP

II.2 Điều khiển tự động quá trình sấy

II.2.1 Giới thiệu

Sấy là quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi nước ra khỏi bề mặt vật liệu Quá trình này xảy ra khi áp suất hơi nước trên bề mặt vât liệu lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường Trong công nghiệp, phương pháp sấy phổ biển là dùng không khí nóng hoặc khói lò làm tác nhân sấy, truyền nhiệt cho vật sấy Đồng thời vật sấy được làm nóng và bốc ẩm vào tác nhân sấy Đây gọi là quá trình

Hình II.2.1 Sơ đồ sấy đối lưu Trong sơ đồ trên, ta xác định các biến quá trình:

- Biến điều khiển : GH

- Biến cần điều khiển: Ti

- Biến nhiễu: Tof, Toc, Gkk

II.2.2 Lưu đồ điều khiển theo mẻ

Nhiệt độ khí thải tại giai đoạn sấy ổn định (Toc) dễ dàng được xác định và được lưu trong bộ nhớ Từ đó có thể tính ra nhiệt độ kết thúc (Tof) Nhiệt độ khí thải (To) được đo

và so sánh với nhiệt độ (Tof) Quá trình sấy sẽ kết thúc tự động khi To = Tof

Hì nh II.2.2 Lưu đồ điều khiển tủ sấy theo mẻ

Gkk To

GH Ti

Hì nh II.2.3 Sơ đồ khối của Calorife

TT

Calorife

II.3 Điều khiển tự động quá trình cô đặc

Quá trình cô đặc là quá trình giảm hàm lượng dung môi trong dung dịch để thu được dung dịch có nồng độ chất rắn cao như vậy cô đặc là quá trình nâng cao nồng độ chất khô của các sản phẩm bằng phương pháp bay hơi dung môi

Các hệ thống cô đặc truyền thống được điều khiển theo kiểu vòng kín và là cách đơn giản nhất để đạt được yêu cầu gọi là điều khiển được

Hình II.3.1 Lưu đồ điều khiển quá trình cô đặc kiểu phản hồi

II.3.1 Quy trì nh công nghệ

Dung dịch từ bề mặt chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế rồi đi vào thiết bị gia nhiệt do chênh lệch áp suất trong nồi cô đặc và áp suất khí quyển Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, thân

hình trụ, đặt đứng Nguồn cấp nhiệt là hơi nước bão hòa đi phía ngoài ống Dung dịch đi

từ dưới lên ở bên trong ống Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch đến nhiệt độ sôi Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết

bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài

Hình II.3.2 Sơ đồ khối điều khiển cô đặc

II.4 Ứng dụng điều khiển tự động quá trình chƣng cất

Chưng cất là một phương pháp tách dùng nhiệt để tách hỗn hợp đồng thể (dung dịch) của các chất lỏng khác nhau Quá trình hoạt động tháp chưng cất không ổn định, các dòng vật chất vào, ra trong tháp có thể biến động Ta điều khiển cho quá trình đảm bảo chất lượng, năng suất, an toàn, ổn định cho hệ thống Ta có thể điều khiển theo kiểu đơn biến và cũng

có thể điều khiển da biến

Hình II.4.1 Sơ đồ điều khiển hệ thống chưng cất

II.4.1 Quy trì nh công nghệ

Trên đĩa nhập liệu của tháp chung cất chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống Pha lỏng chuyển động trong phần cất từ trên xuống do dòng hồi lưu

từ đỉnh tháp Dòng hồi lưu và dòng sản phẩm đỉnh là do pha hơi ở đỉnh ngưng tụ lại chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp phần lỏng đi từ trên xuống Ở đây có sự tiếp xúc pha giữa pha lỏng và pha hơi Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ của các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun lôi cuốn các cấu tử dễ bay hơi Một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần khác chuyển từ hơi sang lỏng Qúa trình bốc hơi và ngưng tụ lặp lại liên tục nhiều lần, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nhiều nhất Hơi sản phẩm đỉnh đi bên ngoài ống được ngưng tụ sau đó đưa vào bình phân chia Tại bình phân chia một phần sẽ được bơm hồi lưu về đỉnh tháp với tỉ số hồi lưu thích hợp phần còn lại sẽ đưa qua thiết bị làm nguội Sau đó được đưa vào bồn chứa sản phẩm đỉnh Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Do đó ở đáy tháp ta thu được sản phẩm đáy có nồng độ

cấu tử khó bay hơi cao, phần còn lại được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt để trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu sau đó đi vào bồn chứa sản phẩm đáy

II.5 Ứng dụng điều khiển tự động quá trì nh hấp thụ

Quá trình hấp thụ rất có ý nghĩa và ứng dụng thực tế rất rộng rãi như tạo dung dịch sản phẩm, tách hỗn hợp khí , làm sạch khí trong hỗn hợp có chứa khí độc hại,…

Ta có nhiều cách điều khiển quá trình hấp thụ, dưới đây là 2 cách điều khiển:

Hình II.5.1 Điều khiển đơn biến Hình II.5.2 Điều khiển tầng

Chất hấp thụ (hình II.6.1) sẽ đi từ trên xuống và gặp nhau với hỗn hợp khí đi từ dưới lên Lưu lượng dòng chất hấp thụ sẽ được lấy tín hiệu nồng sau của chất lỏng sau hấp thụ để điều khiển Mức lỏng trong tháp sẽ đượclấy tín hiệu và điều khiển qua van đáy tháp.Dòng khí sau hấp thụ sẽ lấy tín hiệu áp suất đỉnh thap để điều khiển lưu lượng ra

Hình II.6.2 theo kiểu điều khiển tầng sẽ khác cách điều khiển dòng chất hấp thụ được thay bằng cách lấy tín hiệu nồng độ của chất sau hấp thụ và chất trong tháp để điều khiển dòng chất hấp thụ vào Cách điều khiển này sẽ tối ưu và chính xác hơn phương pháp điều khiển đơn biến

II.6 Tổng quan về ứng dụng điều khiển qua trì nh trong các quá trì nh cơ học

Trong công nghiệp hiện nay, có nhiều quy trình sản xuất đều có những giai đoạn cơ học như lắng,lọc,ly tâm, trộn, nghiền,…Vì vậy, để cho sản xuất thuận tiện hơn, ta ứng dụng điều khiển quá trình vào để tăng năng suất cũng như chất lượng làm việc

II.6.1 Tự động hóa bình ngưng, nước sử dụng một lần (không tuần hoàn)

Hình II.6.1 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh nước và cách lắp đặt bình ngưng

Các ống nối: I- Hơi nén từ máy nén vào; II- lỏng ngưng tụ ra; III,IV- nước giải nhiệt vào và ra; 1,2- ống nước vào và ra khỏi van; 3- hộp xếp;4- ống nối tín hiệu áp suất vào;5-thanh truyền; 6-clape; 7- lò xo nén; 8-vít điều chỉnh lưu lượng nước; 9,10-màng đàn hồi bằng cao su

Điều chỉnh nước giải nhiệt một lần vừa có tính chất kỹ thuật là ổn định chế độ làm việc của máy lạnh, vừa có tính chất kinh tế là tiết kiệm nước giải nhiệt

Nước vào ống 1, ra ống nối 2 rồi vào bình ngưng tụ( hình 5.5a) Hộp xếp 3 là phần tử cảm biến, biến tín hiệu áp suất ngưng tụ pk thành độ dãn nở của độ xếp truyền vào và tác động trực tiếp đến clape 6 qua thanh truyền 5 {phía trên clape 7, lực ban đầu của lò xo phụ thuộc vào vít hiệu chỉnh 8 Hai màng cao su 9 và 10 dùng để giữ gìn khoang nước với các phân tử nước khác của van mà vẫn có độ đàn hồi không làm ảnh hưởng đến sự hoạt động của chúng Khi áp suất ngưng tụ tăng, hộp xếp dãn ra, clape mở rộng hơn, cho nước đi qua nhiều hơn Nước giải nhiệt vào nhiều, áp suất ngưng tụ giảm xuống, hộp xếp co lại, clape khép bớt cửa thoát, nước vào ít đi và áp suất ngưng tụ tăng lên, chu kỳ làm việc lặp lại và lưu lượng nước cũng như áp suất ngưng tụ liên tục dao động quanh giá trị đã đặt ở vít điều chỉnh

Hình II.2 giới thiệu cách mắc van điều chỉnh nước vào bình ngưng Phần tử cảm biến của van ( hộp xếp ) nhận tực tiếp tín hiệu áp suất từ bình ngưng tụ bằng ống nối 4 đến ống đẩy

của máy nén Căn cứ vào áp suất ngưng tụ này và lưu lượng nước được điều chỉnh Khi máy nén hoạt động, áp suất ngưng tụ giảm dần và sau một thời gian nhất định van điều chỉnh sẽ đóng

II.6.2 Tự động hóa quá trì nh khuấy trộn

Khi ta muốn đạt được một mục đích nào đó như là nồng độ mong muốn, ta cần khuấy trộn Trong công nghiệp, để khuấy trộn với số lượng lớn, ta cần áp dụng quá trình điều khiển vào để có thể trộn liên tục, ổn định

Dưới đây là một số cách điều khiển bình khuấy trộn

Hình 6.2.1 Một số cấu trúc điều khiển bình trộn a/ điều khiển phản hồi thuần túy

b/điều khiển tỉ lệ và điều khiển phản hồi ( đơn biến )

c/ điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển tỉ lệ ( tầng )

d/ điều khiển phản hồi kết hợp bù nhiễu ( đa biến )